基於拉壓力傳感器反饋的雙軸同步運動控制裝置及方法與流程
2023-06-17 19:12:12
本發明涉及雙軸同步控制領域，具體涉及一種基於拉壓力傳感器反饋的雙軸同步運動控制裝置及方法。
背景技術：
在現代製造業中，人們對高生產率、低成本的需求越來越高，例如表面貼裝機和數控工具機在加工一些複雜零件或為了減少產品加工的工序時，傳統的單軸運動常常難以滿足需要，生產中機械軸同步運動應運而生，也正因如此，多軸系統在現代工業生產中被廣泛應用，如三峽工程中使用的升船機、煤球機、冶金工廠中的多軸輥道、造紙機、橋式或龍門起重機以及各種機器人系統。但隨著社會的發展，人們對多軸系統提出了更高的要求，如高速度、高精度的加工要求在造紙、印染、紡織等產業生產中顯得越來越重要，為了提高多軸系統的綜合性能，不僅要考慮單個軸的控制品質，還要把各軸之間的運動控制有機協調起來，才能達到系統整體全局性能的最優化。
多軸系統是非線性、強耦合的多輸入多輸出系統，其多個軸的協調控制是一個很複雜且很重要的問題。在機械加工中，由實際位置到期望輪廓的距離產生的輪廓誤差直接關係到產品的質量，減小同步誤差是降低輪廓誤差的關鍵。高速龍門移動鍵銑削加工中心是同步運動的典型例子，龍門柱沿導軌縱向進給，能獲得很高的加速度特性，但由於橫梁、刀架等大型移動部件的結構和受力並不是嚴格對稱的，再加上存在各種不確定性擾動，所以不能保證龍門框架移動的高度一致性，這種不一致性產生的機械耦合將降低同步進給程度，影響加工質量，甚至可能使龍門框架或驅動元件受到損壞。同步控制技術是這類工具機降低輪廓誤差、保證加工精度的關鍵。採用多軸系統同步控制技術的數控機械用數字控制和伺服技術代替傳統的機械傳動機構，簡化了設備的機械結構，提高了設備的精度、靈活性、壽命和效率。因此，多軸系統同步控制技術是當前機械設計和製造技術的一個重要發展方向。
技術實現要素：
為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種基於拉壓力傳感器反饋的同軸同步運動控制裝置及方法。
本發明使得雙軸同步運動控制的運動範圍增加，突破了傳統固定型檢測裝置的局限性，無需回零和校準，使之能穩定、準確、快速地到達同步運動，並能在幹擾出現運動不同步時快速恢復同步。
本發明採用如下技術方案：
一種基於拉壓力傳感器反饋的雙軸同步運動控制裝置，包括同軸同步運動本體部分及驅動檢測控制部分；
同軸同步運動本體部分：包括第一及第二同步運動單元，所述第一及第二同步運動單元結構相同均包括伺服電機、聯軸器、滾珠絲槓、直線運動單元、懸臂板及支架，
所述伺服電機通過聯軸器驅動滾珠絲槓上的直線運動單元，所述支架固定在直線運動單元上，所述懸臂板的一側與支架連接，所述第一及第二同步運動單元的滾珠絲槓平行設置在實驗臺上；
驅動檢測控制部分：包括加速度傳感器及拉壓力傳感器，所述加速度傳感器設置在第一同步運動單元的懸臂板與支架連接處，所述拉壓力傳感器水平固定在兩個懸臂板的另一側，所述伺服電機還設置有編碼盤，所述編碼盤檢測伺服電機轉動的角位移信號經過伺服驅動器及運動控制卡輸入到工控計算機中，所述加速度傳感器及拉壓力傳感器檢測的信號經過A/D轉換卡及數據採集卡輸入到工控計算機中，計算機得到控制信號經過運動控制卡及伺服驅動器驅動兩個伺服電機轉動。
所述拉壓力傳感器具體為一個，拉壓力傳感器的兩端分別安裝在兩個懸臂板的寬度方向的中點處，且兩個懸臂板處於相同高度。
所述加速度傳感器位於第一同步運動控制單元的懸臂板與支架連接處具體位於該懸臂板的寬度方向的中線上。
所述加速度傳感器及拉壓力傳感器的安裝高度相同。
所述拉壓力傳感器選用S型拉壓力傳感器。
還包括用於顯示檢測信號和控制信號動態曲線的人機互動界面。
一種基於拉壓力傳感器反饋的同軸同步運動控制裝置的控制方法，包括如下步驟：
步驟一兩個伺服電機的編碼器檢測兩個伺服電機的轉角信號，經過伺服驅動器及運動控制卡，傳輸到工控計算機進行處理，得到相應的伺服電機位置反饋信號；
步驟二拉壓力傳感器及加速度傳感器分別檢測懸臂板之間的受力狀態及直線運動單元的加速度後，經過A/D轉換後生成數位訊號，經過數據採集卡輸入到工控計算機中得到速度反饋信號；
步驟三將步驟一及步驟二得到的速度和位置反饋信號經過工控計算機計算後得到控制電機轉動的脈衝信號，經過運動控制卡輸出到兩個伺服驅動器中，分別驅動到兩個伺服電機，實現對伺服電機進行位置和速度雙閉環控制。
所述拉壓力傳感器檢測懸臂板之間的受力狀態，具體為：以第一同步運動單元中的直線運動單元的運動為參考基準，若檢測信號為受壓狀態，則說明第二同步運動單元的直線運動快，繁殖，則檢測信號為受拉狀態，則說明第二同步運動單元的直線運動慢。
本方法採用主從式同步運動控制策略、串行同步運動控制策略、並行同步運動控制策略或虛擬電子主軸同步運動控制策略。
本發明的有益效果：
(1)本速度檢測系統由一個拉壓力傳感器和加速度傳感器組成，利用傳感器高精度和動態響應快的特點，使得速度檢測更加準確，配合編碼器的角位移檢測，形成位置和速度的雙閉環控制，從而能實現低速重載的雙軸同步運動控制。
(2)本裝置雙軸運動採用耦合連接，能實時動態地檢測雙軸間的速度差和位置差，適用於低速重載的場合。
(3)本裝置既可以採用主從式同步運動控制策略，也可以採用其他同步控制策略，如串行同步運動控制策略、並行同步運動控制策略、虛擬電子主軸同步運動控制策略等，為驗證多種複雜控制策略提供了一個很好的平臺。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是圖1的俯視結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例
如圖1-圖2所示，一種基於拉壓力傳感器反饋的同軸同步運動控制裝置，包括第一及第二同步運動單元；
所述第一同步運動單元，包括第一伺服電機1、第一聯軸器2、第一滾珠絲槓3、第一滾珠導向軸4、第一直線運動單元5、第一懸臂板7及第一支架14，
所述第一伺服電機通過第一聯軸器驅動第一滾珠絲槓上的第一直線運動單元，所述第一滾珠導向軸4安裝在第一滾珠絲槓上，所述第一支架安裝在第一直線運動單元上，所述第一懸臂板的一側與第一支架固定在一起。
所述第二同步運動單元，包括第二伺服電機10、第二聯軸器11、第二滾珠絲槓12、第二直線運動單元16、第二懸臂板15及第二支架13；
所述第二伺服電機通過第二聯軸器驅動第二滾珠絲槓上的第二直線運動單元，所述第二支架固定在第二直線運動單元上，所述第二懸臂板的一側與第二支架固定在一起。
所述第一滾珠絲槓的基座和第二滾珠絲槓的基座平行設定在實驗臺上，安裝前要保證兩個直線運動單元處於平行位置，第一滾珠絲槓和第二滾珠絲槓的軸距可靈活變動，兩直線運動單元通過兩懸臂板的耦合作用相連接，使該裝置能檢測低速重載高精度的雙軸同步運動信號。
兩個懸臂板的規格相同，均為350mm×85mm×13mm，兩個懸臂板與兩個支架的安裝方式相同，本實施例中伺服電機均安裝有光電編碼盤。
所述第一支架及第二支架在第一直線運動單元及第二直線運動單元的安裝方向相反，所述兩個懸臂板的安裝方向也是面對面，具體第一支架與第一懸臂板的左側固定，第二支架與第二懸臂板的右側固定。
本裝置還包括加速度傳感器6及拉壓力傳感器8，所述加速度傳感器6安裝在第一支架及第一懸臂板的固定位置，高度位於第一懸臂板的中間距第一懸臂板左側15mm,用於檢測第一運動單元的速度信息；
所述拉壓力傳感器8具體為一個，固定在第一、第二懸臂板的末端之間，具體為第一懸臂板的右側及第二懸臂板的左側，且高度位於兩個懸臂板的寬度方向的中點，安裝好應保證兩直線運動單元處於平行位置且兩懸臂板沒有發生彎曲變形，本裝置可根據雙軸之間的實際距離調整兩支架在直線運動單元上的安裝位置和兩懸臂板的長度，從而滿足不同軸距的檢測控制，擴大了裝置的適用範圍。
所述拉壓力傳感器獲得兩直線運動單元的相對速度信息，選取第一直線運動單元的運動為參考基準，若檢測信號為受壓狀態，則說明第二直線運動單元運動較快，反之，若檢測信號為受拉狀態，則說明第二直線運動單元運動較慢，通過拉壓力信號可定性獲得兩直線運動單元的相對運動信息，形成速度反饋信號。速度反饋信號和位置反饋信號經相應的控制算法處理後用於控制驅動第一滾珠絲槓和第二滾珠絲槓的轉動，本發明利用將拉壓力傳感器所測得拉壓力信號轉換成速度信號，結合編碼器的位置反饋，對雙軸直線同步運動單元進行速度和位置反饋控制。
加速度傳感器既可以檢測第一直線運動單元的運動速度信息，也能檢測第一直線運動單元的振動信號，防止因兩懸臂板的耦合作用和電機自身的機械振動使兩運動單元出現較大的速度差甚至出現破壞機械裝置本體的情況。
所述拉壓力傳感器及加速度傳感器檢測的信息經過第一及第二A/D轉換卡輸出到數據採集卡，然後輸入到工控計算機，兩個伺服電機的光電編碼盤檢測伺服電機的轉角信號通過第一及第二伺服驅動器和運動控制卡輸入到工控計算機中，工控計算機根據上述得到的檢測信號輸出控制信號運動控制卡，通過兩個伺服驅動器驅動兩個伺服電機。
上述裝置進行兩周同步運動的控制方法，具體步驟為：
步驟一兩個伺服電機的編碼器檢測兩個伺服電機的轉角信號，經過伺服驅動器及運動控制卡，傳輸到工控計算機進行處理，得到相應的伺服電機位置反饋信號；
步驟二拉壓力傳感器及加速度傳感器分別檢測懸臂板之間的受力狀態及直線運動單元的加速度後，經過A/D轉換後生成數位訊號，經過數據採集卡輸入到工控計算機中得到速度反饋信號；
步驟三將步驟一及步驟二得到的速度和位置反饋信號經過工控計算機計算後得到控制電機轉動的脈衝信號，經過運動控制卡輸出到兩個伺服驅動器中，分別驅動到兩個伺服電機，實現對伺服電機進行位置和速度雙閉環控制。
在本實施例中，伺服電機選用日本三菱公司生產的400瓦交流伺服電機，第一伺服電機和第二伺服電機的型號為HC-KFS43，伺服驅動器為MR-J2S-40A。
兩個滾珠導向軸選用日本米思米MISUMI的微型直線導軌，型號為BESKSS-No.30-700，材質為不鏽鋼，導軌編號為30mm，組裝高度H為20mm，導軌長度L為700mm。直線軸承9可選用日本米思米MISUMI標準型直線軸承，型號為SLHSSW，導向軸支座選擇日本米思米MISUMI(SHSTA-20)-40型支座，絲槓固定側組件選用C-BSFW20型。聯軸器可選用米思米MISUMI公司型號為MCSLC的高扭矩夾持型(雙膜片型)膜片式聯軸器。運動控制卡可選用美國GALIL公司生產的型號為DMC-18x6PCI的4軸運動控制卡。
拉壓力傳感器選用上海上海狄佳傳感科技有限公司生產的S型拉壓力傳感器，型號為DJSX-50，額定載荷0～50Kg,重複性0.02％F.S.，滯後0.02％F.S.；加速度傳感器選用公司生產的8632C10型立方體加速度傳感器，響應頻率為1～5000Hz，非線性為±％FSO。
在控制過程中通過設計友好的人機互動界面可以實時顯示相關測量信號和控制信號動態曲線，便於實時觀測以及控制的開啟和關閉，控制策略參數的修改輸入，數據保存等操作，便於實時調試時分析和修改參數。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。